كيف يؤثر سمك جدار غلاف الفولاذ المقاوم للصدأ 316 على القوة العازلة لعزل أكسيد المغنيسيوم بعد التأرجح في عناصر التسخين الكهربائي؟

بالنسبة لمهندسي الجودة ومصنعي عناصر التسخين، فإن العلاقة بين سمك جدار الغلاف وأداء العزل الكهربائي ليست واضحة دائمًا. يتم ضغط مسحوق أكسيد المغنسيوم الموجود حول سلك المقاومة إلى كثافة تعطي موصلية حرارية عالية وقوة عازلة عالية-عادةً ما تزيد عن 2.8 جم/سم³ لإعطاء مقاومة عازلة تزيد عن 100 ميجا أوم في درجة حرارة الغرفة. الآلية الرئيسية لضغط MgO هي عملية التأرجح التي تقلل القطر الخارجي لغلاف الفولاذ المقاوم للصدأ 316. لكن الضغط الشعاعي الذي يمارس عبر جدار الغلاف على MgO يعتمد على سمك الجدار. تمتص الجدران السميكة المزيد من قوة التأرجح. قد يكون MgO مضغوطًا بشكل أقل من اللازم. تنقل الجدران الرقيقة قوة أكبر ولكنها تخاطر بانهيار سلك المقاومة أو تلفه. يحلل هذا البحث تأثير سماكة جدار الغلاف 316 على كثافة MgO المحتملة وقوة العزل الكهربائي. فهو يوفر أساسًا لتحديد الحد الأدنى لسماكة الجدار الذي يوازن بين السلامة الميكانيكية والأداء الكهربائي.

السلوك الضاغط لـ MgO أثناء تأرجح الغمد
في صناعة السخان، يتم ملء أنبوب من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 بخليط سائب من مسحوق MgO وسلك مقاومة ذو موقع مركزي. يتم بعد ذلك تمرير التجميع من خلال آلة تأرجح حيث تقوم قوالب الغزل بضرب الأنبوب بشكل قطري إلى الداخل وتقليل القطر الخارجي بنسبة 10-30٪. تعمل هذه العملية على تكثيف مسحوق MgO من الكثافة الظاهرية الأولية التي تبلغ ~ 1.5 – 1.8 جم / سم 3 إلى الكثافة النهائية التي تبلغ 2.8 – 3.2 جم / سم 3. إن القوة الشعاعية الصافية الناتجة عن قوالب التأرجح، بعد طرح القوة المستخدمة في التشوه المرن والبلاستيكي لجدار الغلاف 316، هي ضغط الضغط الذي يتم تسليمه إلى MgO. من أجل تقليل التأرجح وقوة القالب، يؤدي جدار الغلاف الرقيق إلى تقليل أعمال التشوه الإجمالية ويتم نقل نسبة أعلى من القوة المطبقة إلى MgO. تُظهر نمذجة العناصر المحدودة لعملية التطريق أن غمد 0.8 مم 316 ينقل حوالي 85% من ضغط القالب إلى MgO بينما ينقل غمد 1.6 مم 65% فقط في ظل ظروف تطريق متساوية. يتم نقل أقل من 50% من القوة المطبقة عبر الغلاف 2.5 مم، ويتم الاحتفاظ بالباقي كطاقة إجهاد مرنة في الجدار الفولاذي السميك، أو يتم إطلاقه كحرارة أثناء تشوه البلاستيك. هذا الاختلاف له تأثير مباشر على كثافة MgO المحتملة.

العلاقة الكمية بين سمك الجدار وكثافة MgO
تُظهر التجارب الخاضعة للرقابة التي تستخدم معدات التطريق المماثلة ومجموعات القوالب ونسب التخفيض علاقة عكسية محددة بين سماكة جدار الغلاف 316 وكثافة MgO النهائية. كثافات MgO النموذجية التي تم تحقيقها لتقليل التطريق المستهدف بنسبة 20% (على سبيل المثال . 12.0 مم إلى 9.6 مم القطر الخارجي) هي: كثافة MgO النهائية البالغة 3.1-3.2 جم/سم3 مع سمك جدار 0.8 مم تتجاوز بشكل ملحوظ الحد الأدنى القياسي. ويبلغ سمك الجدار 1.2 ملم، والكثافة 2.9-3.0 جم/سم3، وهي نسبة لا تزال مقبولة لمعظم الأغراض. تنخفض الكثافة إلى 2.7 – 2.8 جم / سم 3 وهو الحد الأدنى المسموح به أو أقل منه بسمك جدار 1.6 مم. تبلغ كثافة المادة بسمك جدار يبلغ 2.0 مم 2.5-2.6 جم/سم3، وهو ما لا يكفي للعزل الكهربائي الذي يمكن الاعتماد عليه في درجات الحرارة المرتفعة. عند أقل من 2.7 جم/سم 3، يتمتع أكسيد المغنيسيوم بمسامية مترابطة تتيح امتصاص الرطوبة وقنوات تسرب التيار الكهربائي. غالبًا ما تكون مقاومة العزل عند 500 درجة من MgO المضغوط إلى 2.5 جم/سم3 أقل بـ 10 إلى 100 مرة من مقاومة MgO المضغوطة إلى 3.1 جم/سم3 3 . تنخفض قوة العزل الكهربائي (الحد الأعلى للمجال الكهربائي الذي يمكن أن يتحمله العزل دون انهيار) من حوالي 15 كيلو فولت/مم عند 3.1 جم/سم3 إلى 5 كيلو فولت/مم عند 2.5 جم/سم3. يبلغ المجال الكهربائي فوق طبقة MgO لسخان 240 فولت بقطر سلك مقاومة 1.0 مم حوالي 2-3 كيلو فولت / مم عند جهد التشغيل. وهذا يعطي هامشًا مريحًا عند كثافة MgO العالية ولكنه هامشي عند الكثافة المنخفضة حيث قد تؤدي العيوب الصغيرة إلى انهيار العزل الكهربائي.

الحدود العملية لـ "تكامل العزل الكهربائي" للأغماد السميكة ذات الجدران-
The typical swaging procedure may not provide the required MgO density for applications that require thick 316 sheaths (>1.6 ملم) للمتطلبات الميكانيكية أو التآكل. هناك ثلاثة تعديلات على الإنتاج يمكن أن تخفف من امتصاص القوة للجدران السميكة. الإجراء الأول والأكثر شيوعًا هو رفع نسبة تقليل التأرجح. 30%، حيث ينقل القطر الخارجي من 12.0 مم إلى 8.4 مم ضغوطًا شعاعية أقوى إلى MgO، مما يحقق كثافات مماثلة للجدران الرقيقة عند تقليل أقل، بدلاً من تقليل 20%. وتتمثل العقوبة في زيادة فرصة تلف سلك المقاومة وزيادة التوترات المتبقية في الغلاف. التغيير الثاني هو استخدام عدة تمريرات للتطريق مع التلدين المؤقت. يمكن أن يؤدي التخفيض بنسبة 15% ثم التلدين لتخفيف ضغوط الغلاف، متبوعًا بتخفيض ثانٍ بنسبة 15%، إلى توفير كثافة MgO عالية في الأغلفة ذات الجدران السميكة- دون تجاوز حدود القابلية للتشكيل للأنابيب 316. التغيير الثالث هو تعديل مواصفات مسحوق MgO: يتم ضغط جزيئات MgO الخشنة والزاوية بسهولة أكبر من المساحيق الكروية الدقيقة. يمكن أن تؤدي درجة MgO عالية الكثافة مع توزيع حجم الجسيمات المنظم إلى زيادة الكثافة النهائية بمقدار 0.1-0.2 جم / سم 3 لنفس ظروف التطريق. كل من هذه التعديلات تضيف إلى تكلفة التصنيع. لكن التكلفة مبررة في الحالات التي تكون فيها الجدران السميكة ضرورية.

مصفوفة اختيار لسمك الجدار وكثافة MgO لأداء عازل موثوق
يوضح الجدول التالي التركيبات المناسبة لسماكة جدار الغلاف 316 ومتطلبات التصنيع للحصول على الحد الأدنى المقبول من كثافة MgO البالغة 2.8 جم/سم 3 وقوة العزل الكهربائي التي تزيد عن 10 كيلو فولت/مم عند درجة حرارة الغرفة.

سماكة جدار التأرجح المطلوبة 316 تقليل التأرجح الموصى به عدد مرات التأرجح الموصى بها كثافة MgO التي يمكن تحقيقها اعتبارات خاصة
0.8 – 1.0 مم 15 – 20% تمريرة فردية 3.0 – 3.2 جم/سم مكعب الطريقة القياسية، منخفضة التكلفة
1.0 – 1.2 مم 18 – 22% تمريرة واحدة 2.9 – 3.1 جم/سم3 الإجراء القياسي مناسب 1.2 – 1.4 مم 20 – 25% تمريرة ضوئية فردية أو مزدوجة 2.8 – 3.0 جم/سم3 تأكد من خلال اختبار العينة 1.4 – 1.6 مم 25 – 30% يوصى بالتمرير المزدوج 2.7 – 2.9 جم/سم3 عالي كثافة MgO الصف اللازمة
1.6 – 1.8 مم 28 – 32% مطلوب تمرير مزدوج 2.6 – 2.8 جم/سم3 هامشي، مطلوب اختبار التأهيل
1.8 – 2.0 مم 30 – 35% تمرير مزدوج للتليين المتوسط ​​2.5-2.7 جم/سم3 لا يوصى به للجهود التي تزيد عن 120 فولت > 2.0 مم غير ممكن غير ممكن أقل من 2.5 جم/سم3 استخدم قطرًا أصغر أو سبيكة مختلفة
بالنسبة لأي سخان بجهد تشغيل أكبر من 250 فولت تيار متردد، يجب زيادة الحد الأدنى المسموح به لكثافة MgO إلى 3.0 جم/سم 3 مما يقيد بشكل فعال الحد الأقصى لسمك جدار الغلاف 316 إلى 1.2 مم ما لم يتم تطبيق إجراءات التطريق الخاصة. في تطبيقات الجهد العالي التي تتجاوز 600 فولت تيار متردد - غالبًا ما يتم مشاهدتها في بعض المعدات الصناعية ومعدات التعدين - يجب أن يظل سمك جدار الغلاف أقل من 1.0 مم للحفاظ على قوة عازلة مقبولة أو يجب إنشاء السخان بدرع معدني، مؤرض ومنفصل عن عزل MgO.

طرق الاختبار والتحقق من ضمان جودة الإنتاج
لا يتم الاعتماد على العلاقات النظرية وحدها بسبب الاختلاف الذي تحدثه معدات التأرجح، وتقنية المشغل، وتفاوتات الأنابيب الواردة. في حالة تحديد سخانات ذات سمك جدار أكبر من 1.4 مم، يجب على المهندسين أن يطلبوا من الشركة المصنعة إعطاء قياسات كثافة MgO من عينات الإنتاج. يتم ذلك عادةً عن طريق قطع جزء من المدفأة وقياس كتلة وحجم المسحوق المضغوط. ويجب ذكر الحد الأدنى للكثافة كمتطلب جودة يبلغ 2.8 جم/سم3 وليس كهدف. يجب أيضًا اختبار السخانات النهائية للتأكد من قوة العزل الكهربائي. الاختبار المعتاد هو 1500 فولت تيار متردد بالإضافة إلى ضعف الجهد التشغيلي المطبق لمدة دقيقة واحدة بين سلك المقاومة والغمد. وهذا يعني 1,500 + 480=1,980 فولت تيار متردد لسخان بقوة 240 فولت. تجتاز الأغلفة السميكة ذات الجدران السميكة ذات كثافة MgO الهامشية هذا الاختبار بشكل عام عند درجة الحرارة المحيطة، ولكن ليس عند تسخينها إلى درجة حرارة التشغيل لأن قوة العزل الكهربائي لـ MgO تتضاءل مع درجة الحرارة. وبالتالي يتم الحصول على أفضل التحقق من الصحة عن طريق إجراء اختبارات مقاومة العزل الساخن عند 500 درجة. عادة لا تقل مقاومة العزل الحراري للسخانات الصناعية عن 1 ميجا أوم، على الرغم من أن 10 ميجا أوم مرغوبة لإطالة العمر. تعتبر أعطال مجال انهيار العزل الكهربائي باهظة الثمن وخطيرة في كثير من الأحيان. إن التكلفة الإضافية لتحديد غمد أرق، أو التطريق الأكثر قوة، لتحقيق كثافة MgO تعتبر بسيطة مقارنة بتكلفة مطالبة الضمان أو ما هو أسوأ من ذلك، حدوث صدمة كهربائية.